Diseño óptimo económico de la etapa de concentración de crema para la obtención de levadura Torula en una destilería de etanol
Optimal and economic design of the concentration stage of cream for the obtention of Torula yeast in alcohol distillery
Elizabeth Isaac Pérez1, Víctor Manuel González Morales1*, Juan Esteban Miño Valdés2 y Erenio González Suárez1
1 Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Química y Farmacia. Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas; Carretera a Camajuaní Km 5 ½. Santa Clara, Villa Clara. Cuba
2 Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Misiones. Calle Rosas Nº325. CP 3360 Oberá, Misiones, Posadas, Argentina.
RESUMEN
El objetivo de este trabajo fue diseñar de forma óptima y económica los equipos que integran laetapa de concentración de la crema, en el proceso de producción de levadura Torula. Se diseñó un intercambiador de calor de tubos y coraza para llevar a cabo la termólisis, además de un múltiple efecto de evaporación, el análisis de alternativa aportó que la temperatura óptima en el caso de salida del intercambiador de calor y entrada a la evaporación fue de 800C; al analizar la cantidad de efectos óptimos, tres fue el resultado concluyente. Estos parámetros determinados decidieron las condiciones óptimas de trabajo de los equipos diseñados en función de la disminución de costos de operación, influyentes en la rentabilidad de las operaciones.
Palabras clave: diseño óptimo económico, crema, levadura Torula, destilería, etanol
ABSTRACT
The work objective was to design in a good and economic way the teams that integrate the stage of cream concentration in the process of Torula yeast production. It was designed an heat exchanger of tubes and shells to carry out the termless, along with a multiple evaporation effect, the alternative analysis contributed that the good temperature in the case of the exit of the heat exchanger and entrance to the evaporation was of 800C. When analyzing the quantity of good effects, three were the conclusive result. These certain parameters decide the good work conditions of the designed teams and they are in function of the decrease of influential operation costs.
]]> Key words: design good economic, cream, yeast Torula, distillery, and ethanol.
INTRODUCCIÓN
Entre los alimentos alternativos o no convencionales se hallan los microorganismos, pertenecientes a los grupos de las levaduras, bacterias, hongos y algas, que son importantes fuentes de proteínas, vitaminas, minerales y factores que mejoran el crecimiento. Según (Rodríguez y col. 2011) Torula, nombre con el que se conoce al hongo levaduriforme de Candida utilis, es la levadura más utilizada como suplemento alimenticio animal; se utiliza desecada como fuente de proteínas y puede ser añadida en piensos mixtos para alimentación de cualquier clase de ganado, debido a su gran contenido de vitamina B, minerales y aminoácidos; además si es irradiada produce vitamina D. Esta levadura se presenta concentrada como crema de Torula en este trabajo, aunque de esta forma no posee el mismo contenido de nutrientes, Lezcano (2011).
La levadura Torula se usa como fuente proteica en todas las especies animales incluido el hombre, es ampliamente utilizada en vacas en período de gestación y lactancia. En Cuba constituyó un renglón exportable y de consumo interno, fundamentalmente, para alimento porcino y la formulación de piensos en la alimentación animal, Lezcano, (2011).
Por lo planteado anteriormente, la levadura desecada puede incluirse en piensos mixtos para toda clase de ganado. Normalmente, el costo elevado limita su empleo y la inclusión de levadura en las raciones se basa principalmente en su valor como suplemento para las deficiencias de aminoácidos y vitaminas de los cereales (Olivera et al., 2002).
La utilización de los residuales industriales resulta siempre una buena alternativa, ya que con su tratamiento se evita que contaminen el medio ambiente, y así un desecho con valor negativo pasa a ser una materia prima, cuyo empleo resulta siempre económicamente ventajoso. Un residual de gran potencialidad en Cuba, en la industria alcoholera, son las vinazas de destilería. Muchos autores como (Almazán et al., 1982), Gómez (1986) e ICIDCA (2009) reportan el uso de este residual para la producción de proteína unicelular.
La satisfacción de muchas demandas industriales requiere del uso de un gran número de intercambiadores de calor. La opción de decidir qué tipo de intercambiador usar depende de las perspectivas operacionales y objetivos técnicos que se anhelen obtener. En el caso del proceso de obtención de levadura en crema se escogió según los requisitos previamente estudiados un intercambiador de calor de tubos y corazas, para la termólisis, Aguirre (2009).
]]> Entre otras ventajas, los intercambiadores de calor de tubo y coraza permiten variaciones de caudal dependiendo de las necesidades. Se pueden utilizar en aplicaciones en los que están involucrados productos de consumo humano, como alimentos: considerando siempre el material de los tubos como adecuado según el producto a tratar. Su instalación es sencilla y son de fácil mantenimiento. Por lo general trabajan con todo tipo de flujos, teniendo en cuenta el diámetro, el material técnicamente acertado de los tubos y especialmente el proceso en el cual se va a insertar el intercambiador. Son los más baratos en el mercado, en comparación con los servicios que presta, y presentan la opción de fabricarse localmente. Poseen una vida útil entre 25 y 30 años, lo que permite recuperar la inversión inicial, dado que sus costos de mantenimiento son muy bajos, Aguirre (2009).Los evaporadores químicos son intercambiadores vaporizadores, equipos tubulares no calentados directamente que convierten el calor latente o sensible de un fluido en calor latente de vaporización de otro; se emplean por tanto para concentrar una solución química mediante la evaporación del solvente agua a partir del suministro de calor.
El múltiple efecto es la posibilidad de utilizar la evaporación de un fluido para continuar su calentamiento o para calentar un nuevo fluido, lo que conlleva a una mayor eficiencia de la operación (Espinosa et al., 1990).
Ante la escasez de información tecnológica el problema científico que se planteó fue encontrar la operación óptima y de mínimo costo de la etapa de preparación del concentrado de levadura Torula.
Para resolver el problema planteado el objetivo general establecido en este trabajo fue diseñar de forma óptima y económica la etapa de concentración de la crema en el proceso de obtención de levadura Torula.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para el logro del objetivo propuesto, se aplicaron balances de masa y energía, la metodología de diseño de (Pavlov et al., 1981) para intercambiadores de calor de tubos y corazas, la metodología de (Espinosa et al., 1990) para múltiple efecto de evaporación; los análisis de alternativas de diseño óptimo se realizaron en hojas de cálculo Excel programadas personalmente, los esquemas tecnológicos se realizaron en el Microsoft Visio; se estimaron las propiedades físicas utilizando métodos iterativos y datos experimentales de Peacock (1995), y se determinaron los costos de operación y de inversión según (Peter y Timmerhaus, 1980).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
]]> 3.1. Esquema del procesoLeyenda:
F-Fermentador
D-Desemulsor
F’-Filtro
S-Separadoras
TC: Tanque crema
IC-Intercambiador de calor de placas
TCT: Tanque de crema termolizada
E-Evaporador
]]> TPT-Tanque Producto Terminado3.2 Balances de masa y energía de la etapa de concentración de la crema.
Los balances de masa en la destilería Santa Fe, en la Unidad Empresarial de Base (UEB) “Heriberto Duquesne”, se realizaron sobre la base de su producción de alcohol puro más alta en los últimos años (553 hLap/d). El año 2012 fue el considerado para diseñar con cobertura suficiente y que en todas las condiciones las vinazas producidas sean asimiladas por la planta de Torula en crema. Manteniendo el % alcohólico promedio de esa campaña en 5,62 % v/v, se obtuvieron de la destilería 943 m3/día de vinazas, con estos valores lograr una producción entre 8,4-9,8 Tn/día de levadura Torula dependiendo este resultado del funcionamiento correcto de la instalación y de la entrega segura de la cantidad de vinaza desde la destilería. Los balances fueron referidos a la capacidad de 8,4 Tn/día, según (González y Miño, 2015).
3.3 Diseño óptimo de los equipos de la etapa de concentración de lacrema.
Determinación de propiedades físicas de la crema de levadura.
Densidad
La determinación de la densidad se realizó mediante mediciones directas en el laboratorio cumpliendo con la definición de la misma; masa/volumen.
Calor específico
El calor específico se determinó por el método aproximado de cálculo a partir de la concentración de la levadura en la crema de levadura, y de la fórmula global de la levadura como microorganismo con las masas molares de cada elemento inorgánico que la conforma. Método según Peacock (1995).
Conductividad térmica
]]> La conductividad térmica se determinó por el método aproximado de cálculo a partir de la concentración de la levadura en la crema de levadura, temperatura como parámetro de trabajo definido según literatura de proceso. Método según Peacock (1995).Viscosidad
La viscosidad se determinó por el método aproximado de cálculo a partir de la concentración de la levadura en la crema de levadura y de la temperatura de trabajo Método según Peacock (1995).
3.4. Diseño del intercambiador de calor de tubos y coraza
Metodología de diseño según (Pavlov et al., 1981):
Conocidos el flujo de alimentación, las propiedades físicas (Calor específico, Densidad, Viscosidad, Conductividad térmica), las temperaturas, la presión de vapor y el calor latente del vapor se procedió de la siguiente forma:
1.Se calculó el calor a evacuar como calor sensible de la crema. según (Pavlov et al., 1981) Q=m*Cp*∆T (4)
2.Se supuso el coeficiente global de transferencia de calor (Ud) según las propiedades del fluido y se calcula el área de transferencia de calor
]]> 3.Se calculó el número de tubos (Nt) y en la tabla 9 de Kern (1999) se estandarizó el número de tubos calculados, se especificó el número de pasos (n) y el diámetro interior de la concha. según (Pavlov et al., 1981)Nt=ATC/A tubo (5)
1.Se recalculó el área de Transferencia de Calor y el coeficiente Ud calculado, según (Pavlov et al., 1981)
Q=Ud*A*MLDT (6)
MLDT= (∆t2-∆t1)/ln (∆t2/∆t1) (7)
m vapor=Q/ λ vapor (8)
2.Se realizó el rechequeo, calculando los coeficientes peliculares (hio y ho), coeficiente limpio (Uc), factor de depósitos Rd calc
4.Se comparó el Rd calc con el Rd requerido, si Rd calc ≥ Rd requerido el Intercambiador de calor es adecuado y se calculó el porciento del área de Transferencia de Calor en exceso, la cual debe estar por debajo del 20%. según (Pavlov et al., 1981)
at= (Nt*a´t)/ (144*n) (m2) (9)
]]> v=m crema/ (ρ*at) (pie/s) (10)%area en exceso= (Rd calc-Rd req)/Rd req*100 (11)
Uc= (hio*ho)/ (hio+ho) (12)
Re= (v*ρ*d)/μ (13)
Rd calc= (Uc-Ud)/ (Uc*Ud) (14)
hi=(jH*K/d)*(Pr^1/3)*(μ/μf)^0.14 (15)
El diseño se realizó mediante el Microsoft Excel programando de manera que se pudiese utilizar como alternativas la temperatura de salida del Termolizador con variación de más menos 2oC de la crema, siendo este parámetro el nexo con la alimentación al evaporador; a continuación se definen las ecuaciones y los resultados para cada una de las alternativas, Espinosa (2015).Tabla 4.Tabla 5 Tabla 6
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Los cálculos muestran que la temperatura que marca un correcto diseño del intercambiador de calor es la de 80oC, la cual se comprueba en la crema alimentada al evaporador mediante el análisis de alternativa buscando las condiciones idóneas de operación.
Para cada alternativa se buscan los costos de inversión, los cuales se buscan según (Peters y Timmerhaus, 1980),y de operación referidos a costos de bombeo y de consumo de vapor.
Según los cálculos anteriores la alternativa de menor costo sería la de 78oC pero se debe analizar en conjunto la temperatura idónea para la alimentación al evaporador, pues estamos hablando del nexo, en cuanto a parámetro de operación se refiere, entre los equipos, por tanto es necesario llegar a un consenso entre los dos análisis de alternativas.
3.5. Evaporadores. Metodología de diseño según (Espinosa et al., 1990).
Conocidos a presión del vapor alimentado; (Ps), tipo, cantidad, concentración y temperatura de la solución alimentada (F, XF, TF), concentración final (XF), la presión en el condensador, (Pc).
]]> 1-Se procedió a aplicar el balance de materiales total y parcial con el objetivo de determinar las corrientes de vapor total y en cada vaso, además de la corriente de condensado.Balance total de materiales: según (Espinosa et al., 1990)
F = B2 + VT (16)
VT = V1 + V2 (17)
F = B1 + V1 (18)
B1=B2+V2 (19)
B2=B3+V3 (20)
B3=B4+V4 (21)
Balance parcial de sólidos: según (Espinosa et al., 1990)
F * XF = B2 * X2 (22)
]]> 2-Se realiza la distribución de temperatura en este caso se considera la elevación del punto de ebullición (EPE) igual a 0 pues se utiliza vapor de agua como medio de calentamiento.1-Se aplica balance de energía para determinar la cantidad de calor que se produce total y por efecto según número de efectos, según (Espinosa et al., 1990)
S*λv=F*Cp(tb1-tf)+V1*λ1 (27)
V1*λ1=B1*Cp(t2-t1)+V2*λ 2 (28)
V2*λ2=B2*Cp(t3-t2)+V3*λ3 (29)
V3*λ3=B3*Cp(t4-t3)+V4*λ4 (30)
2-Los coeficientes de transferencia de calor se obtienen de la literatura Kern (1999) según el fluido que se trate.
3-Se determina el calor por efectos según (Espinosa et al., 1990)
]]> Q1=S*λs (31)Q2=V1*λ1 (32)
Q3=V2*λ2 (33)
Q4=V3*λ3 (34)
4-Se determina las áreas de transferencia de calor por efectos y la total, según número de efectos, según (Espinosa et al., 1990)
A1=Q1/(U1*Δt1) (35)
A2=Q2/(U2*Δt2) (36)
A3=Q3/(U3*Δt3) (37)
A4=Q4/(U4*Δt4) (38)
At=A1+A2+A3+A4 (39)
]]> 5-Como culminación del diseño se realiza la evaluación donde se determina la economía de trabajo, el coeficiente de evaporación y la eficiencia de evaporación, según (Espinosa et al., 1990).e=Vt/s (40)
E evaporación=(1- (Vcondensado/Vt))*100 (41)
Co evaporación= Vt/At (42)
Se aplica el diseño para tres alternativas de temperatura usando un doble efecto y posteriormente para la temperatura fija de 80oC se realizan los cálculos para tres efectos y para cuatro efectos.
En consenso con el valor óptimo de la temperatura del intercambiador de calor se determinó como alternativa 80oC, este fue el parámetro nexo entre los dos equipos diseñados.
Según los costos de las alternativas planteadas se verifica la decisión de adoptar 80oC como temperatura de trabajo para la entrada del evaporador y consecuentemente salida del Termolizador.
A continuación se procede con el análisis de las alternativas de múltiples efectos a la temperatura escogida.
]]> 3.5.1 Alternativas según el Número de efectosUtilizando los Balances de materiales en forma de sistemas de ecuaciones se llegó a las ecuaciones de diseño según el Número de efectos, con auxilio de cálculo en el Microsoft Excel. A continuación se reportan los resultados que definen el diseño del evaporador.
Del análisis de alternativas de efectos calculados se pudo inferir que no es necesario implementar cuatro efectos, debido a la distribución de temperatura, pues el rango no es lo suficiente para implementar la elevación del punto de ebullición (EPE) como dato supuesto como se debe según literatura consultada, (Espinosa et al., 1990) es decir se adoptó EPE 4oC en cada caso, por lo que se decide la utilización de tres efectos solamente, esto cumple con las condiciones de operación y además disminuye el consumo de vapor respecto a los dos efectos que se encuentran instalados en todas las fábricas de Torula del país.
Los costos de operación verifican que el consumo de vapor disminuye con el aumento del número de efectos pues existe un mejor aprovechamiento del mismo, pero en consecuencia con el costo de inversión y con lo anteriormente planteado la decisión se ratifica al usar tres efectos de evaporación.
Costos de Operación de la etapa trabajada referida a bombeo y consumo de vapor: 263586,99 $/año.
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La metodología de optimización aplicada permitió encontrar la temperatura óptima a la salida del Termolizador y para alimentar la crema al evaporador siendo la misma de 800C, además se determinó que serían tres efectos los idóneos para la operación de evaporación, y con dichos valores óptimos se obtuvieron los menores costos de operación de la etapa de concentración de crema.
CONCLUSIONES
1-Se obtuvo el diseño óptimo y económico de los equipos en la etapa de concentración de crema: el termolizador como un intercambiador de calor de tubos y coraza, trabajando a una temperatura de salida de la crema de 80oC, la cual sería la de entrada del evaporador y se decidió según las características de la evaporación de la crema y sus parámetros de trabajo trabajar el triple efecto de evaporadores.
2-El costo de inversión de la etapa diseñada son de $1 230 640,06 y los de operación por concepto de bombeo y consumo de vapor son de 263 586,99 $/año
RECOMENDACIONES
1-Aplicar la optimización a futuros proyectos similares para mejorar la concepción de procesos en lo que se refiere a montaje y operación de los mismos.
2-Continuar la investigación a partir de los balances de masa para cada etapa del proceso, para lograr la integración óptima global del proceso de producción de levadura Torula.
REFERENCIAS
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Recibido: Enero 14, 2015
Revisado: Marzo 19, 2015
Aceptado: Abril 1, 2015
